关于常见金属的晶体结构与结晶课件
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金属的晶体结构与结晶.pptx
3.1 金属的结构
(2)晶格、晶胞、晶格常数 ➢用于描述原子在晶体中排列规则的三维空间几何点阵称 为晶格。 ➢在晶格中就存在一个能够代表晶格特征的最小几何单元， 称之为晶胞。 ➢描述晶胞大小与形状的几何参数称为晶格常数。
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3.1 金属的结构
二、常见金属的晶体结构
1、体心立方晶格
体心立方晶胞如图所示。在晶胞的八个角上各有 一个金属原子，构成立方体。在立方体的中心还有 一个原子，所以叫作体心立方晶格。属于这类晶格 的金属有铬、钒、钨、钼和α-铁等。
➢铸件：铸造后不再经塑性加工的产品。 ➢铸锭：铸造后还要经塑性加工的产品。
金属铸锭呈现三个不同外形的晶粒区，即表面细 晶粒区、柱状晶粒区和等轴晶粒区。
第29页/共31页
3.4 合金的晶体结构
一、表面细晶粒区（外壳层）
浇铸时，由于激冷，使过冷度增大，模壁凹凸不平，促进形核， 在极短的时间内形成大量的晶核，组织致密，但很薄。细晶粒区 的成分均匀，强度高，韧性好。
形核率N 、长大速度第G15与页过/共冷31页度T 的关系
3.2 纯金属的结晶
（2）变质处理
变质处理是在浇注前向液态金属中加入一些细 小的难熔的物质（变质剂），在液相中起附加 晶核的作用，使形核率增加，晶粒显著细化。
（3）振动处理
金属结晶时，利用机械振动、超声波振动，电 磁振动等方法，既可使正在生长的枝晶熔断成 碎晶而细化，又可使破碎的枝晶尖端起晶核作 用，以增大形核率。
第22页/共31页
3.4 合金的晶体结构
固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体两种： ➢置换固溶体
溶质原子代替溶剂原子占据溶剂晶格中的某些结 点位置而形成的固溶体，称为置换固溶体，如图所 示。 按溶质溶解度不同，置换固溶体又可分为有限固溶 体和无限固溶体。
(2)晶格、晶胞、晶格常数 ➢用于描述原子在晶体中排列规则的三维空间几何点阵称 为晶格。 ➢在晶格中就存在一个能够代表晶格特征的最小几何单元， 称之为晶胞。 ➢描述晶胞大小与形状的几何参数称为晶格常数。
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3.1 金属的结构
二、常见金属的晶体结构
1、体心立方晶格
体心立方晶胞如图所示。在晶胞的八个角上各有 一个金属原子，构成立方体。在立方体的中心还有 一个原子，所以叫作体心立方晶格。属于这类晶格 的金属有铬、钒、钨、钼和α-铁等。
➢铸件：铸造后不再经塑性加工的产品。 ➢铸锭：铸造后还要经塑性加工的产品。
金属铸锭呈现三个不同外形的晶粒区，即表面细 晶粒区、柱状晶粒区和等轴晶粒区。
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3.4 合金的晶体结构
一、表面细晶粒区（外壳层）
浇铸时，由于激冷，使过冷度增大，模壁凹凸不平，促进形核， 在极短的时间内形成大量的晶核，组织致密，但很薄。细晶粒区 的成分均匀，强度高，韧性好。
形核率N 、长大速度第G15与页过/共冷31页度T 的关系
3.2 纯金属的结晶
（2）变质处理
变质处理是在浇注前向液态金属中加入一些细 小的难熔的物质（变质剂），在液相中起附加 晶核的作用，使形核率增加，晶粒显著细化。
（3）振动处理
金属结晶时，利用机械振动、超声波振动，电 磁振动等方法，既可使正在生长的枝晶熔断成 碎晶而细化，又可使破碎的枝晶尖端起晶核作 用，以增大形核率。
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3.4 合金的晶体结构
固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体两种： ➢置换固溶体
溶质原子代替溶剂原子占据溶剂晶格中的某些结 点位置而形成的固溶体，称为置换固溶体，如图所 示。 按溶质溶解度不同，置换固溶体又可分为有限固溶 体和无限固溶体。
1.2金属的晶体结构与结晶PPT课件
（原子直径相近，结构相同）
2021
35
➢ 间隙固溶体：当溶质原子很 小时，只能处于溶剂原子的 间隙中，称为间隙固溶体。
如图a所示。如C、H、N、 B、O等原子易形成间隙固 溶体。
➢ 溶解度大小取决于：
a 溶剂晶体结构
间隙大小，间隙↗，溶解↗
b 溶质尺寸
溶质尺寸↘，溶解度↗
2021
36
➢ 置换固溶体：当溶质和溶剂 的原子直径较接近时，只能 替代一部分溶剂原子而占据 溶剂晶格中的某些结点位置， 称为置换固溶体。
例如：钢中加入钛、硼、铝等；铸铁中加入硅、钙 等；铝-硅合金中加入钠或钠盐等。
3) 动力学方法 生产中还可以采用机械振动、超声波振动、电磁
搅拌等方法。使熔融金属在铸型中产生运动。打断 正在生长的树枝晶轴，破碎的细小晶体成为新的晶 核，增加了晶核数目，从而使晶粒细化。
例如：钢的连续铸造采用电磁搅拌来细化晶粒。
20晶21 界
亚晶界
19
1.2.2 金属的结晶过程
１.纯金属的结晶
➢ 即液态金属凝固时原子占据晶格的规定位置形成 晶体的过程。
纯金属的结晶过程可通过热分析实验法得到的温 度与时间的关系曲线，即冷却曲线来表示，如图1-8 所示。
2021
20
温度 ΔT
T0 Tn
➢ T0 ——理论结晶温度,即熔点 ➢ Tn——实际结晶温度
１.２金属的晶体结构与结晶
按原子排列的特征，可将固体物质 分为晶体和非晶体两大类。
晶体： 物质内部的原子是按一定的 次序有规律排列的。如金刚石、石 墨等，固态金属一般属于晶体。
非晶体：非晶体内部的原子则是无规 则排列的，如玻璃、松香和沥青等。 也称为 “过冷液体” 。
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➢ 间隙固溶体：当溶质原子很 小时，只能处于溶剂原子的 间隙中，称为间隙固溶体。
如图a所示。如C、H、N、 B、O等原子易形成间隙固 溶体。
➢ 溶解度大小取决于：
a 溶剂晶体结构
间隙大小，间隙↗，溶解↗
b 溶质尺寸
溶质尺寸↘，溶解度↗
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➢ 置换固溶体：当溶质和溶剂 的原子直径较接近时，只能 替代一部分溶剂原子而占据 溶剂晶格中的某些结点位置， 称为置换固溶体。
例如：钢中加入钛、硼、铝等；铸铁中加入硅、钙 等；铝-硅合金中加入钠或钠盐等。
3) 动力学方法 生产中还可以采用机械振动、超声波振动、电磁
搅拌等方法。使熔融金属在铸型中产生运动。打断 正在生长的树枝晶轴，破碎的细小晶体成为新的晶 核，增加了晶核数目，从而使晶粒细化。
例如：钢的连续铸造采用电磁搅拌来细化晶粒。
20晶21 界
亚晶界
19
1.2.2 金属的结晶过程
１.纯金属的结晶
➢ 即液态金属凝固时原子占据晶格的规定位置形成 晶体的过程。
纯金属的结晶过程可通过热分析实验法得到的温 度与时间的关系曲线，即冷却曲线来表示，如图1-8 所示。
2021
20
温度 ΔT
T0 Tn
➢ T0 ——理论结晶温度,即熔点 ➢ Tn——实际结晶温度
１.２金属的晶体结构与结晶
按原子排列的特征，可将固体物质 分为晶体和非晶体两大类。
晶体： 物质内部的原子是按一定的 次序有规律排列的。如金刚石、石 墨等，固态金属一般属于晶体。
非晶体：非晶体内部的原子则是无规 则排列的，如玻璃、松香和沥青等。 也称为 “过冷液体” 。
金属材料的结构与结晶.pptx
二、晶体结构的概念
（一）晶格与晶胞
实际晶体中的各类质点在不停的运动，讨论晶体结 构时，常把原子看成一个固定的小球，这些原子小 球按一定的几何形状在空间紧密堆积（图2-1a）。
z
c
a)晶体中的原子排列
b)晶格
x
ba
c)晶胞及晶格参数表示方法
图2-1 简单立方晶格与晶胞示意图
第2页/共101页
为描述晶体内部原子排列规律，将每个原子视为一个 几何质点，并用一些假想几何线条将各质点连接起来， 形成一个空间几何格架（图2-1b） 。
五、合金的晶体结构 （一）合金的基本概念
1.合金：两种或两种以上的金属元素或金属和非 金属元素组成的具有金属性质的物质。
例:黄铜是铜和锌的合金；碳钢是铁和碳的合金。 合金一般具有比组成该合金的金属更高的力学性能。 例：钢比纯铁有更高的强度和硬度。 2.组元：组成合金的最基本的独立物质。 例：黄铜中铜和锌都是组元。组元可以是金属、非 金属或稳定的金属化合物。
刃位错示意图
三维图
在平面ABCD上方，多出半个原子面EFGH, 如同 刀刃插入晶体，称为刃位错。
第14页/共101页
平面图
螺型位错
第15页/共101页
在位错附近区域，晶格发生的畸变。 位错的特点之一是很容易在晶体中移动，金属材 料的塑性变形通过位错运动来实现的。
3. 晶界和亚晶界（面缺陷） 实际金属是一个多晶体结构。 晶粒与晶粒之间的 界面称为晶界 。晶界处的原子排列不规则，原子 处于不稳定状态。
第30页/共101页
晶体中存在点、线、面缺陷，都会造成晶格畸变， 引起塑变抗力的增加，使金属强度提高。
四、合金的晶体结构 1.合金：两种或两种以上的金属元素或金属和非 金属元素组成的具有金属性质的物质。
（一）晶格与晶胞
实际晶体中的各类质点在不停的运动，讨论晶体结 构时，常把原子看成一个固定的小球，这些原子小 球按一定的几何形状在空间紧密堆积（图2-1a）。
z
c
a)晶体中的原子排列
b)晶格
x
ba
c)晶胞及晶格参数表示方法
图2-1 简单立方晶格与晶胞示意图
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为描述晶体内部原子排列规律，将每个原子视为一个 几何质点，并用一些假想几何线条将各质点连接起来， 形成一个空间几何格架（图2-1b） 。
五、合金的晶体结构 （一）合金的基本概念
1.合金：两种或两种以上的金属元素或金属和非 金属元素组成的具有金属性质的物质。
例:黄铜是铜和锌的合金；碳钢是铁和碳的合金。 合金一般具有比组成该合金的金属更高的力学性能。 例：钢比纯铁有更高的强度和硬度。 2.组元：组成合金的最基本的独立物质。 例：黄铜中铜和锌都是组元。组元可以是金属、非 金属或稳定的金属化合物。
刃位错示意图
三维图
在平面ABCD上方，多出半个原子面EFGH, 如同 刀刃插入晶体，称为刃位错。
第14页/共101页
平面图
螺型位错
第15页/共101页
在位错附近区域，晶格发生的畸变。 位错的特点之一是很容易在晶体中移动，金属材 料的塑性变形通过位错运动来实现的。
3. 晶界和亚晶界（面缺陷） 实际金属是一个多晶体结构。 晶粒与晶粒之间的 界面称为晶界 。晶界处的原子排列不规则，原子 处于不稳定状态。
第30页/共101页
晶体中存在点、线、面缺陷，都会造成晶格畸变， 引起塑变抗力的增加，使金属强度提高。
四、合金的晶体结构 1.合金：两种或两种以上的金属元素或金属和非 金属元素组成的具有金属性质的物质。
《金属的结构与结晶》PPT课件
§1.1 金属的特征
金属材料 以金属键方式结合，从而使金属材料具 有以下特征：
良好的导电、导热性： 自由电子定向运动〔在电场作用下〕导电、
〔在热场作用下〕导热。 正的电阻温度系数：
金属正离子随温度的升高，振幅增大，阻碍自 由电子的定向运动，从而使电阻升高。 不透明，有光泽：
自由电子容易吸收可见光，使金属不透明。自 由电子吸收可见光后由低能轨道跳到高能轨道， 当其从高能轨道跳回低能轨道时，将吸收的可见 返回
非晶体
蜂蜡、玻璃 等。
液体
§1.2 金属的 晶体构造
扩大知识
• 微晶：快速凝固的晶态金属或合金的颗粒尺寸要 小得多，仅为微米纳米级尺度，高强度高硬度；
• 准晶：在晶体内部的原子长程有序，介于晶体和 非晶体之间；
• 液晶：二维长程有序。
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§1.2 金属的 晶体构造
z
c
a
x
y b
d 晶胞
a 原子堆垛模型
《金属的结构与结晶》 PPT课件
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第一章 金属的构造与结晶
§1.1 金属的特征 §1.2 金属的晶体构造 §1.3 实际晶体中的缺陷 §1.4 金属的结晶过程 §1.5 晶粒大小控制
c
a
X
b
Y
§1.2 金属的 晶体构造
晶格常数：a=b=c； ===90
晶胞原子数： 4 原子半径： 致密度：0.74
返回
§1.2 金属的 晶体构造
晶格常数 密排六方晶格 C〔石墨〕、Mg、Zn 等 底面边长a
机械工程材料 第二章 金属的晶体结构与结晶 PPT
温
冷速越大，过冷度越大
度
理论冷却曲线
To
结晶平台(是由结晶潜热导致)
T1
实际冷却曲线
孕育期
纯金属结晶时的冷却曲线 时间
2-2
金属的结晶
结晶过程:晶核形成和晶核长大两个基本过程。
液态金属
形核
晶核长大
完全结晶
2-2
金属的结晶
① 晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生。 ② 晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失。 ③ 每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。
2
原子个数：6 致密度：74%
常见金属：Ti、镁、锌、铍等
2-1
金属的晶体结构
3. 多晶体结构
晶体内部原子排列方向（称晶格位向）完全一致的晶体称为单晶体。
由许多小晶体组成的晶体称为多晶体。 晶格排列方向基本相同的小晶体称为晶粒。
晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。
2-1
金属的晶体结构
4. 纯金属的实际晶体结构
2-1
金属的晶体结构
（2）金属化合物
合金组元间发生相互作用而形成一种具有金属特性的物质。
1.正常价化合物：如Mg2Si, Mg2Sn, Mg2Pb, Cu2Se等。
2.电子化合物：不遵守原子价规律，但有一定的电子浓度的化合物。 如Cu3Al, CuZn3, Cu5Zn8等。
3.间隙化合物：由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等原子半径较 小的非金属元素形成的金属化合物。
非晶体的原子是无规律杂乱地堆积在一起，如玻璃、沥青、松香等， 非晶体没有固定的熔点。
2-1
金属的晶体结构
（2）晶格与晶胞
用于描述原子在晶体中规律排列方式的空间格子称为晶格。 晶格中直线的交点称为结点。
金属的结构和结晶.pptx
直线的交点称结点 由结点形成的空间点的阵 列称空间点阵： 反应点阵特征的基本单元 叫晶胞
第5页/共41页
晶胞
Z
c
b
a
晶胞棱边长度叫 晶格
第6页/共41页
• （3）晶系：(布喇菲点阵,用数学方法证明)
立方
• 根据晶格常数不同，将晶体分为七种晶系。 六方
• 90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。 四方
菱方
• 立方晶系：a=b=c，===90
正交
• 六方晶系：a1=a2=a3 c，==90，
单斜
=120
第7页/共41页
三斜
几个重要参数 前提：假设原子为刚性球 1、原子半径：晶胞中原子密 度最大方向上相邻原子间距 的一半。
2、晶胞原子数：一个晶胞内 所包含的原子数目。
3、配位数及致密度： 配位数：是指晶格中与任一原子距离最近且相
• c. 置换原子：
取代原来原子位置的外来 原子称置换原子。
• 点缺陷破坏了原子的平衡 状态，使晶格发生扭曲， 称格晶畸变。 使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。
空位
间隙原子
小置换原子
第30页/共41页
大置换原子
空位和间隙原子引起的晶格畸 变
第31页/共41页
二、线缺陷
线缺陷—晶体中的位错
刃位错
示。
第22页/共41页
说明：
① 在立方晶系中，指 数相同的晶面与晶向 相互垂直。
② 遇到负指数，“-” 号
放在该指数的上方。 ③ 晶向具有方向性，如 [110]与[-1-10]方向相反。
[110] Z
(221)
X
第23页/共41页
[110]
[221]
Y
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晶胞
Z
c
b
a
晶胞棱边长度叫 晶格
第6页/共41页
• （3）晶系：(布喇菲点阵,用数学方法证明)
立方
• 根据晶格常数不同，将晶体分为七种晶系。 六方
• 90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。 四方
菱方
• 立方晶系：a=b=c，===90
正交
• 六方晶系：a1=a2=a3 c，==90，
单斜
=120
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三斜
几个重要参数 前提：假设原子为刚性球 1、原子半径：晶胞中原子密 度最大方向上相邻原子间距 的一半。
2、晶胞原子数：一个晶胞内 所包含的原子数目。
3、配位数及致密度： 配位数：是指晶格中与任一原子距离最近且相
• c. 置换原子：
取代原来原子位置的外来 原子称置换原子。
• 点缺陷破坏了原子的平衡 状态，使晶格发生扭曲， 称格晶畸变。 使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。
空位
间隙原子
小置换原子
第30页/共41页
大置换原子
空位和间隙原子引起的晶格畸 变
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二、线缺陷
线缺陷—晶体中的位错
刃位错
示。
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说明：
① 在立方晶系中，指 数相同的晶面与晶向 相互垂直。
② 遇到负指数，“-” 号
放在该指数的上方。 ③ 晶向具有方向性，如 [110]与[-1-10]方向相反。
[110] Z
(221)
X
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[110]
[221]
Y
第二章金属的晶体结构与结晶PPT课件
❖ 密排六方晶胞中原子数为12×1／6＋2×1／2＋3＝6 （个）。密排六方晶格的金属有Mg 、Zn 。
二、实际金属的晶体结构
❖ （一）金属材料都是多晶体。
❖ 单晶体：晶格位向完全一致的晶体。晶粒， ❖ 亚晶界。亚晶界。
晶体
晶粒 晶界
亚晶界 亚晶界
多晶体示意图
多晶体示意图
（二）、晶体的缺陷
❖ 缺陷对金属的性能（物理性能、化学性能、机械性能）有 很大的影响。
来表示晶胞的形状和大小。
（三）、金属中常见晶格
1、体心立方晶格(bcc)：如 aFe Cr
❖ 晶胞中实际原子数为8×1／8＋1＝2（个）。
1/8
2、面心立方晶格(fcc)
❖ 面心立方晶胞中原子数为8×1／8＋6×1／2＝4（个）。
面心立方晶格的金属有 rFe、Al等。
3、密排六方晶格(hcp)
冷变形加工后金属出现了强度 提高的现象（加工硬化），就 是由于位错密度的增加所致。
立体 模型
平面 模型
刃型位错示意图
a ) 刃晶 形格 立位体错模示型意b图) 平 面 图
3、面缺陷——晶界和亚晶界
晶界的过渡结构示意图
晶界结构
亚晶界结构示意图
亚晶界结构
第二节 纯金属的结晶
主要内容 ❖ 凝固与结晶的概念 ❖ 结晶的现象与规律 ❖ 同素异晶(构)转变
温
度
理论冷却曲线
结晶平台(是由结晶潜热导致)
To
T1
实际冷却曲线
时间
2. 过冷现象与过冷度
❖过冷现象 ：T实际<T理论；
❖ 过冷度：过冷是结晶的必要条件。
ΔT = T0 – T1
二).结晶的一般规律(结晶过程)
第二章纯金属的结晶ppt课件
分开，没有过渡层。 光学显微镜下，光滑界面由了若
干曲折的小平面构成，所以又称小平面界面。
b. 粗糙界面 (Rough interface)：原子尺度下，界面两侧有几
个原子层厚度的过渡层，固液原子犬牙交错排列。光学
显微镜下，这类界面是平直的，所以又称非小平面界面。
42
2.5 晶核的长大
界面结构
光滑界面
液态金属中不仅存在结构起伏，而且存在能量起伏，也即
液态金属不同区域内的自由能也并不相同，因此形核功可
通过体系的能量起伏来提供。当体系中某一区域的高能原
子附着在临界晶核上，将释放一部分能量，一个稳定的晶
核即可形成。
34
2.4 晶核的形成
形核率 (Nucleation rate)
单位时间在单位体积液体内形成晶核的数目称为形核率。
22
2.3 金属结晶的结构条件
液态金属相起伏的特点
23
2.4 晶核的形成
前面谈到了结晶的热力学条件和结构条件。但事实上，
许多过冷液体并不立即发生凝固结晶。如液态高纯Sn过
冷5~20℃时，经很长时间还不会凝固。说明凝固过程还
存在某种障碍。
因此，还必须进一步研究凝固过程究竟如
何进行的（机理问题）？进行的速度如何
靠液态金属的能量变化，由晶胚直接形核的过程。
非均匀形核：又称异质形核或非自发形核。是指依附液体中现有固
体杂质或容器表面形成晶核的过程。实际液态金属中，总有或多或
少的杂质，晶胚总是依附于这些杂质质点上形成晶核，实际的结晶
过程主要是按非均匀形核方式进行。
25
2.4 晶核的形成
均匀形核 (Homogeneous nucleation)
作用。
干曲折的小平面构成，所以又称小平面界面。
b. 粗糙界面 (Rough interface)：原子尺度下，界面两侧有几
个原子层厚度的过渡层，固液原子犬牙交错排列。光学
显微镜下，这类界面是平直的，所以又称非小平面界面。
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2.5 晶核的长大
界面结构
光滑界面
液态金属中不仅存在结构起伏，而且存在能量起伏，也即
液态金属不同区域内的自由能也并不相同，因此形核功可
通过体系的能量起伏来提供。当体系中某一区域的高能原
子附着在临界晶核上，将释放一部分能量，一个稳定的晶
核即可形成。
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2.4 晶核的形成
形核率 (Nucleation rate)
单位时间在单位体积液体内形成晶核的数目称为形核率。
22
2.3 金属结晶的结构条件
液态金属相起伏的特点
23
2.4 晶核的形成
前面谈到了结晶的热力学条件和结构条件。但事实上，
许多过冷液体并不立即发生凝固结晶。如液态高纯Sn过
冷5~20℃时，经很长时间还不会凝固。说明凝固过程还
存在某种障碍。
因此，还必须进一步研究凝固过程究竟如
何进行的（机理问题）？进行的速度如何
靠液态金属的能量变化，由晶胚直接形核的过程。
非均匀形核：又称异质形核或非自发形核。是指依附液体中现有固
体杂质或容器表面形成晶核的过程。实际液态金属中，总有或多或
少的杂质，晶胚总是依附于这些杂质质点上形成晶核，实际的结晶
过程主要是按非均匀形核方式进行。
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2.4 晶核的形成
均匀形核 (Homogeneous nucleation)
作用。
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使用中，布氏硬度值并不计算，也不用标注单位， 只需测出压痕直径d，即可从布氏硬度表上查得。 布氏硬度的标注：符号HBS或HBW之前的数字表示硬度 值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载 荷保持时间。 120HBS10/1000/30 表示直径为10mm的淬火钢球在 1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s (10-15s不标注) 测得的布氏硬度值为120。 布氏硬度的优点是测量误差小，数据稳定，缺点是压痕大， 不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。
冲击试样
冲击吸收功的测定
五、疲劳强度
轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等零件，在 工作过程中各点的应力随时间作周期性的变 化，这种应力称为交变应力(也称循环应力)。
在交变应力作用下，虽然零件所承受的应 力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工 作而产生裂纹或突然发生完全断裂。这种过 程称为金属的疲劳。
交变应力越大, 材料断裂时应力循环次数N越少。 当应力低于一定值时, 试样可以经受无限周期循环 而不破坏, 此应力值称为材料的疲劳极限(亦叫疲劳 强度)，用σ-1 表示。
根据试验用的压头和载荷的不同，洛氏硬度分 为HRA、HRB、HRC三种标尺，其中以HRC 应用最广。洛氏硬度值可直接从试验机的表盘 上读出，不需计算，也不用标出单位。 洛氏硬度的标注：数字+HRC(HRA/HRB) 如60HRC表示C标尺测定的洛氏硬度值为60。 洛氏硬度操作简便，压痕小，适用范围广，但 测量结果不够精确。
六、断裂韧性
桥梁、船舶、大型轧辊、转子等有时会发生低应 力脆断，名义断裂应力低于材料的屈服强度。
构件或零件存在裂纹。裂纹在应力作用下失稳扩 展，导致机件破断。
材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的能力叫断裂韧性。
裂纹尖端应力场大小用应力场强度因子 K表I 示。
Y ：系数 σ ：外加应力
a ：裂纹半长
裂纹扩展的临界状态所对应的应力场强
硬度
硬度( hardness ):是指材料抵抗其他硬物体压入其表 面的能力，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。 •常用测量硬度的方法
布氏硬度HB
洛氏硬度HR
维氏硬度HV
⑴布氏硬度 布氏硬度试验是用一定直径D 的淬火钢球或硬质合金球，在 规定的试验力F的作用下，压 入试件表面，并保持一定时间， 卸除力F，测量压痕直径d， 以压痕单位面积上的压力表示 材料的布氏硬度值。
试验时，根据被测的材料不同，压头的类型、试验力及按表-2选择，对应的洛 氏硬度标尺为HRA、HRB、HRC三种
符号 HRA HRB HRC
压头类型
载荷/k g f 硬度有效范围
120
金刚石圆锥 60 体
直径为
100
1.588mm钢
球
金刚石圆锥 150 体
70～85
25～100 （相当60～ 230HB） 20～67 (相当230～ 700HB)
度因子称为临界应力场强度因子，用K1C表
示，单位为MN/m3/2，它代表材料的断裂 韧性。
金属材料的理化性能
一、金属的物理性能
1. 密度 单2. 位熔体点积物质的质量称为该物质的密度。 3密金. 度属导小 从热于 固性态5×向10液3态kg转/m变3时的的金温属度称称为为轻熔金点属。, 如铝导熔、热点镁性高、通的钛常金及用属它热称们导难的率熔合来金金衡属。量，用。如于热钨航导、天率钼航越、空大钒器,等导，热 性上制越造。好耐。高金温属零的件导，热如性火银箭为、最导好弹,、铜燃、气铝轮次机之和。合 金喷的气密导飞度热机大性等于比零5纯、×1金部0属件3 k差。g。/m3的金属称为重金属, 如铁在熔、热点铅加低、工的钨和金等热属。处称理为时易，熔必金须属考如虑锡导、热铅性等，，防可止 材零用料件于在变制加形造热或保或开险冷裂丝却。和过防程火中安形全成阀过零大件的等内。应力，以免 选用导热性好的金属材料制造散热器、热交换 器与活塞等零件。
关于常见金属的晶 体结构与结晶
一、强度
金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力, 材料的强度 用拉伸试验测定。
(a)原始试样 （b)拉伸后试样 圆形拉伸试样
拉伸试验
1. 弹性极限σe
材料保持弹性变形, 不产生永久变形的最大
应力。
2. 屈服极限（屈服强度）σs 金属开始发生明显塑性变形的抗力。
铸铁等材料没有明显的屈服现象, 用条件屈服极
⑵洛氏硬度 洛氏硬度试验是用顶角120°的金刚石圆锥体或 直径1.588mm淬火钢球作压头，加上一定载荷， 使压头压入工件表面，然后根据压痕的深度确 定其硬度值。
洛氏硬度实验
• 洛氏硬度试验法原理：根据压痕的塑性变形深度来衡量硬度。试 验时，先加初始试验力 98N（10kgf），使压头紧密接触试件表 面a，并压入到b处，以此作为衡量压入深度的起点，再加主试验 力使压头压入到c处，然后去掉主试验力，由于被试金属弹性变 形的消除，压头向上回升到d处。洛氏硬度计表盘上读出即可。
限σ0.2 表示（产生0.2%残余应变时的应力值）。
3. 强度极限(抗拉强度σb )
表示金属受拉时所能承受的最大应力。
二、塑性
断裂前材料产生永久变 形的能力称为塑性。
1. 伸长率（δ）
(a)原始试样 （b)拉伸后试样
试样拉断后, 标距的伸长与原始标距的百分比称
为伸长率。
2. 断面收缩率（ψ） 试样拉断后, 缩颈处截面积的最大缩减量与原 横断面积的百分比称为断面收缩率。
压头为淬火钢球时，用符号HBS表示，适用于 布氏硬度值在450HBS以下的材料。 压头为硬质合金时，用符号HBW表示，适用 于布氏硬度在450~650HBW的材料。 其计算公式为：
HBS F A
A-表示凹印表面积（mm ）。
F-表示试验力（㎏f）。
布氏硬度 HB ( Brinell-hardness )
表-2
使用范围
适用于测量硬质合金、钢 表、淬火层或渗碳层 适用于测量非铁金属退火、 火等
适用于调质钢、淬火钢等
四、冲击韧度（ak）
许多机械零件和工具受到冲击载荷的作用。如活塞销、 锤杆、冲模和锻模等。 材料抵抗冲击载荷作用的能力称为冲击韧性。 用摆锤冲击弯曲试验来测定。测得试样冲击吸收功,用
符号 Ak 表示。用冲击吸收功除以试样缺口处截面积 S0 , 即得到材料的冲击韧度 ak。
冲击试样
冲击吸收功的测定
五、疲劳强度
轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等零件，在 工作过程中各点的应力随时间作周期性的变 化，这种应力称为交变应力(也称循环应力)。
在交变应力作用下，虽然零件所承受的应 力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工 作而产生裂纹或突然发生完全断裂。这种过 程称为金属的疲劳。
交变应力越大, 材料断裂时应力循环次数N越少。 当应力低于一定值时, 试样可以经受无限周期循环 而不破坏, 此应力值称为材料的疲劳极限(亦叫疲劳 强度)，用σ-1 表示。
根据试验用的压头和载荷的不同，洛氏硬度分 为HRA、HRB、HRC三种标尺，其中以HRC 应用最广。洛氏硬度值可直接从试验机的表盘 上读出，不需计算，也不用标出单位。 洛氏硬度的标注：数字+HRC(HRA/HRB) 如60HRC表示C标尺测定的洛氏硬度值为60。 洛氏硬度操作简便，压痕小，适用范围广，但 测量结果不够精确。
六、断裂韧性
桥梁、船舶、大型轧辊、转子等有时会发生低应 力脆断，名义断裂应力低于材料的屈服强度。
构件或零件存在裂纹。裂纹在应力作用下失稳扩 展，导致机件破断。
材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的能力叫断裂韧性。
裂纹尖端应力场大小用应力场强度因子 K表I 示。
Y ：系数 σ ：外加应力
a ：裂纹半长
裂纹扩展的临界状态所对应的应力场强
硬度
硬度( hardness ):是指材料抵抗其他硬物体压入其表 面的能力，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。 •常用测量硬度的方法
布氏硬度HB
洛氏硬度HR
维氏硬度HV
⑴布氏硬度 布氏硬度试验是用一定直径D 的淬火钢球或硬质合金球，在 规定的试验力F的作用下，压 入试件表面，并保持一定时间， 卸除力F，测量压痕直径d， 以压痕单位面积上的压力表示 材料的布氏硬度值。
试验时，根据被测的材料不同，压头的类型、试验力及按表-2选择，对应的洛 氏硬度标尺为HRA、HRB、HRC三种
符号 HRA HRB HRC
压头类型
载荷/k g f 硬度有效范围
120
金刚石圆锥 60 体
直径为
100
1.588mm钢
球
金刚石圆锥 150 体
70～85
25～100 （相当60～ 230HB） 20～67 (相当230～ 700HB)
度因子称为临界应力场强度因子，用K1C表
示，单位为MN/m3/2，它代表材料的断裂 韧性。
金属材料的理化性能
一、金属的物理性能
1. 密度 单2. 位熔体点积物质的质量称为该物质的密度。 3密金. 度属导小 从热于 固性态5×向10液3态kg转/m变3时的的金温属度称称为为轻熔金点属。, 如铝导熔、热点镁性高、通的钛常金及用属它热称们导难的率熔合来金金衡属。量，用。如于热钨航导、天率钼航越、空大钒器,等导，热 性上制越造。好耐。高金温属零的件导，热如性火银箭为、最导好弹,、铜燃、气铝轮次机之和。合 金喷的气密导飞度热机大性等于比零5纯、×1金部0属件3 k差。g。/m3的金属称为重金属, 如铁在熔、热点铅加低、工的钨和金等热属。处称理为时易，熔必金须属考如虑锡导、热铅性等，，防可止 材零用料件于在变制加形造热或保或开险冷裂丝却。和过防程火中安形全成阀过零大件的等内。应力，以免 选用导热性好的金属材料制造散热器、热交换 器与活塞等零件。
关于常见金属的晶 体结构与结晶
一、强度
金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力, 材料的强度 用拉伸试验测定。
(a)原始试样 （b)拉伸后试样 圆形拉伸试样
拉伸试验
1. 弹性极限σe
材料保持弹性变形, 不产生永久变形的最大
应力。
2. 屈服极限（屈服强度）σs 金属开始发生明显塑性变形的抗力。
铸铁等材料没有明显的屈服现象, 用条件屈服极
⑵洛氏硬度 洛氏硬度试验是用顶角120°的金刚石圆锥体或 直径1.588mm淬火钢球作压头，加上一定载荷， 使压头压入工件表面，然后根据压痕的深度确 定其硬度值。
洛氏硬度实验
• 洛氏硬度试验法原理：根据压痕的塑性变形深度来衡量硬度。试 验时，先加初始试验力 98N（10kgf），使压头紧密接触试件表 面a，并压入到b处，以此作为衡量压入深度的起点，再加主试验 力使压头压入到c处，然后去掉主试验力，由于被试金属弹性变 形的消除，压头向上回升到d处。洛氏硬度计表盘上读出即可。
限σ0.2 表示（产生0.2%残余应变时的应力值）。
3. 强度极限(抗拉强度σb )
表示金属受拉时所能承受的最大应力。
二、塑性
断裂前材料产生永久变 形的能力称为塑性。
1. 伸长率（δ）
(a)原始试样 （b)拉伸后试样
试样拉断后, 标距的伸长与原始标距的百分比称
为伸长率。
2. 断面收缩率（ψ） 试样拉断后, 缩颈处截面积的最大缩减量与原 横断面积的百分比称为断面收缩率。
压头为淬火钢球时，用符号HBS表示，适用于 布氏硬度值在450HBS以下的材料。 压头为硬质合金时，用符号HBW表示，适用 于布氏硬度在450~650HBW的材料。 其计算公式为：
HBS F A
A-表示凹印表面积（mm ）。
F-表示试验力（㎏f）。
布氏硬度 HB ( Brinell-hardness )
表-2
使用范围
适用于测量硬质合金、钢 表、淬火层或渗碳层 适用于测量非铁金属退火、 火等
适用于调质钢、淬火钢等
四、冲击韧度（ak）
许多机械零件和工具受到冲击载荷的作用。如活塞销、 锤杆、冲模和锻模等。 材料抵抗冲击载荷作用的能力称为冲击韧性。 用摆锤冲击弯曲试验来测定。测得试样冲击吸收功,用
符号 Ak 表示。用冲击吸收功除以试样缺口处截面积 S0 , 即得到材料的冲击韧度 ak。